ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ГИДРОЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕМ ДОБЫЧНЫХ УЧАСТКОВ ГИДРОШАХТ

Груба В.И., д.т.н., Оголобчвнко А.С., к.т.н., Никулин Э.К., к.т.н., Гавриленко Б.В., к.т.н.

В рабочем режиме добычных механизмов (гидромониторов) гидрошахт технология выемочных работ такова, что потребление гидроэнергии (воды) забоями переменно, причем в широком диапазоне. Как показали исследования, это приводит при увеличении водопотребления к снижению давления воды в трубопроводной сети, а следовательно, к необеспеченности работающих гидромониторов требуемыми по условиям гидроотбойки параметрами воды по давлению и расходу и соответствующему снижению производительности добычных механизмов. Так, при возможном уменьшении давления воды у гидромониторов на 30%, их производительность снижается в два раза. В случае уменьшения водопотребления и соответствующего увеличения давления воды в сети, из-за опасности порыва трубопровода, приходится либо увеличивать толщину стенки трубопровода, либо сбрасывать непроизводительно часть воды в неработающих забоях, а следовательно, возникает перерасхода воды и электроэнергии, который достигает на действующих гидрошахтах 40% и более. Кроме того, до 20% всех аварий в системе водоснабжения происходит по причине опасных гидравлических ударов и неустойчивых рабочих режимов насосов. Таким образом, отсутствие регулирования режима работы насосных установок снижает не только эффективность энергетического водоснабжения забоев, но и гидроотбойки.

Детальный анализ процесса энергетического водоснабжения забоев с целью его управления дан в работе /1/, где сформулирован критерий оптимального управления, в частности, это обеспечение непрерывной подачи в забои воды требуемого по условиям гидроотбойки давления и расхода. При этом на управление накладываются ограничения: отсутствие неустойчивого рабочего режима насоса и опасных гидравлических ударов в переходных процессах.

Исходя из выше сказанного, в данной статье рассмотрены вопросы построения системы автоматического регулирования насосными установками, повышающей эффективность гидроэнергоснабжения добычных участков гидрошахт.

Для построения САР в первую очередь требуется определить, каким способом необходимо регулировать рабочий режим насоса.

В принципе, существуют различные способы регулирования центробежных насосов, но для условий систем энергетического водоснабжения забоев, как показали исследования, возможно реально осуществлять: дросселирование потока воды задвижкой на нагнетании насоса; изменение количества работающих насосов; изменение частоты вращения насоса. Регулирование дросселированием осуществить наиболее просто, причем обеспечивается оперативное изменение производительности насоса, что необходимо по условиям эксплуатации. Однако при этом часть напора гасится на запорном элементе задвижки, что приводит к непроизводительному расходу электроэнергии. Кроме того, из-за большого давления (до 12 МПа) и загрязненности воды (до 50 г/л) срок службы задвижек крайне низок.

Второй способ регулирования применяется на гидрошахтах „Тырганская" ПО „Прокопьевскгидроуголь" и „Пионер" ПО „Добропольеуголь". Однако при этом регулирование обеспечивается ступенчато, что не соответствует требованиям забоев. К тому же частое включение насосов отрицательно сказывается на надежности мощных (до 3,5 мВт) приводных электродвигателей (по техническим условиям на применяемые электродвигатели типа ДСП не рекомендуется их включать чаще пяти раз в месяц). Кроме того, требуется и согласование напорных характеристик насосов, добиться чего в связи с быстрым износом рабочих колес практически невозможно. Третий способ регулирования основывается на изменении частоты вращения (ω) приводного электродвигателя насоса. При этом достигается высокая оперативность перенастройки режима водоснабжения, но требуются значительные капитальные затраты, связанные с дороговизной преобразователей частоты вращения. Однако, как показали расчеты, этот способ регулирования наиболее экономически целесообразен для условий гидрошахт. Таким образом, управление режимами работы насосной установки энергетического водоснабжения необходимо осуществлять путем регулирования ω.

В соответствии с целью регулирования, САР должна обеспечивать стабилизацию давления (р_г) и расхода (Q_г) воды у гидромониторов при различном их количестве в работе. В этом случае построение САР может осуществляться двумя путями: с обратной связью по рг или Qr (параметры рг и Ог связаны между собой зависимостью (7)); с обратной связью по со и косвенным определением р_г или Q_г. Применение первой схемы регулирования связано с практическими трудностями измерения параметров р_г и Q_г в забоях и передачи их значений на поверхность шахты. Обусловлено это не только отсутствием надежных в эксплуатации, взрывобезопасных, с аналоговым выходным сигналом датчиков, но и тем, что гидромонитор является передвижной установкой, отсутствуют кабельные коммуникации в забоях, требуется специальная аппаратура передачи - приема информации.

Вторая схема регулирования является более предпочтительной, причем существуют типовые САР, например, ПЧВС /2/, но требуется вычисление значений переменных установок по ω, при которых САР обеспечивает насосу такую частоту вращения, что в забоях поддерживаются требуемые значения давления р_г^т и расхода воды Q_г^т.

Нами предлагается вторая схема построения САР. В связи с этим разработан следующий алгоритм оптимального управления насосными установками энергетического водоснабжения при переменном водопотреблении забоев. Предположим, в текущий момент времени t в забоях открыто n_г гидромониторов, рабочий режим насоса определяется точкой А (см.рис.1), частота вращения приводного электродвигателя ω_nг, при которой у гидромониторов обеспечивается р_г= р_г^т и Q_г=Q_г^т . Изменение водопотребления забоев, что возникает при отключении либо включении гидромонитора, является признаком для перевода рабочей точки А насоса в точку В - при отключении или в точку С - при включении гидромонитора, чем достигается подача воды к гидромониторам в требуемом количестве и необходимого давления. Перевод осуществляется путем регулирования частоты вращения ω_nг, до значения ω_nг+1 (или (ω_nг-1) в течение времени τ_з закрытия (открытия) задвижки у гидромонитора, так как изменение пг происходит всегда на один гидромонитор. Регулирование производится САР по отклонению текущего значения ω_nг, от заданного ω_nг+1 (или ω_nг-1). Причем, параметры САР должны подбираться таким образом, чтобы при изменении ω в гидросистеме отсутствовал опасный гидравлический удар, а после окончания переходного процесса рабочий режим насоса был устойчивым. Перевод рабочей точки В ( или С ) в точку А осуществляется аналогичным путем.

Рис. 1. Рабочие режимы насоса при переменном потреблении воды забоями

Таким образом, величины ω_nг, ω_nг+1, ω_nг-1 являются уставками на входе САР и должны определяться априорно, в зависимости от текущего водопотребления забоев (количества открытых гидромониторов).

Связь между управляющим воздействием и управляемой величиной установим из условия, что рабочий режим насоса определяется совместно напорными характеристиками как гидромашины, так и трубопроводной сети. Кроме того, для упрощения расчетов, допустим, что гидравлическое сопротивление трубопроводной сети и гидромониторов условно сконцентрировано в одной точке, т.е. будем рассматривать гидравлическую систему с сосредоточенными параметрами. Хотя в действительности, трубопроводная сеть энергетического водоснабжения забоев гидрошахт относится к классу систем с распределенными параметрами и для их описания используются дифференциальные уравнения гидромеханики, что значительно усложняет расчет. Сделанное допущение, согласно /3/, является правомерным и не вносит значительной погрешности в определение значений искомых параметров регулирования.

Напорная характеристика насоса аналитически описывается зависимостью, согласно /3/, вида

                                                                                   (1)                                 

где Z - число рабочих колес; ρ - плотность воды; g - ускорение свободного падения; А,В,С - постоянные коэффициенты, зависящие от типа насоса (определяются по справочным данным); ω_t, ω_s- соответственно текущая и номинальная частота вращения рабочего колеса насоса (в нашем случае то же, что и приводного электродвигателя насоса).

Напорная характеристика сети описывается зависимостью, согласно /3/, вида

                                                                                                      (2)                              

где ΔН - геометрическая разность геодезических отметок насоса и гидромониторов в забоях; а_т, а_nг - гидравлическое сопротивление соответственно трубопроводной сети (от насоса к гидромониторам) и открытых гидромониторов.

Величина а_т определяется как

                                                                                                        (3)                       

где λ - коэффициент Дарси; 1_т, d_т - геометрические параметры трубопроводной сети, соответственно длина и диаметр; Σξ - сумма местных гидравлических сопротивлений.

Величина а_nг определяется как

                                                                                                      (4)                            

где а¹ - гидравлическое сопротивление одного гидромонитора:

                                                                                                      (5)                      

d_н - диаметр выходного отверстия насадка; μ_н- коэффициент расхода насадка, определяемый по справочным данным.

Из тождества выражений (2) и (3), принимая ω_t= ω_nг , запишем, опуская промежуточные преобразования, искомую зависимость для определения параметра ω_nг.

                                                 (6)                      

 

где Q - требуемая подача насоса для открытых гидромониторов из условия обеспечения заданного значения давления р_г^т. Величина Q для конкретного числа n_г может быть вычислена как

                                                                         (7)                    

 

Следовательно, для конкретных параметров насоса (A,B,C,Z), трубопроводной сети (а_т, ΔН), гидромониторов (а¹) и их количества (n_г) по зависимости (6) определяется требуемая частота вращения электродвигателя, при которой насос у открытых гидромониторов создает давление воды необходимого значения, что требуется по условию критерия оптимальности управления. Приведенная математическая модель может быть использована для вычисления уставок регулирования САР.

Для выполнения первого ограничения на управление необходимо осуществлять проверку устойчивости работы насоса на новом режиме. Проверка производится, согласно /3/, по условию:

                                                                            (8)                    

 

где m= - коэффициент, характеризующий волновые свойства трубопровода; C₀ - скорость распространения ударной волны; p_c(Q) и p(Q,ω) - напорная характеристика соответственно сети и насоса. Если при Q₀=Q и ω₀=ω_nг неравенство (8) не выполняется, то производится расчет уставки ω_y, при которой работа на сеть с a_c= а_т+а_nг будет устойчива. С этой целью из (8) с учетом (1) и (2) получено расчетное уравнение вида:

                                                                  (9)                     

где Qy - подача насоса, определяемая из (1) и (2) при ω_t= ω_у.

Для выполнения второго ограничения на управление необходимо определить закон изменения частоты вращения насоса при переходе на новый режим. Как указывалось ранее, количество открытых гидромониторов изменяется всегда на один гидромонитор за время τ закрытия (открытия) задвижки перед ним. В этом случае изменяется значение величины а_nг следующим образом:
при отключении гидромонитора

                                                                                            (10)                   

при включении гидромонитора

                                                                                           (11)                  

где а(τ) - суммарное гидравлическое сопротивление гидромонитора и открытой задвижки перед ним:

                                                                                                  (12)                  

Величина а_z(τ) вычисляется по формуле

                                                                                                      (13)                     

где d₃ - диаметр проходного канала задвижки; ξ₃(τ) - коэффициент гидравлического сопротивления задвижки в течение времени τ.

Подставив в выражение (6) вместо величины апг соответствующую зависимость (10) или (14), можно рассчитать требуемый закон перевода частоты вращения на новое значение при условии поддержания требуемого значения давления воды у открытых гидромониторов. Расчеты на ЭВМ показали, что для обеспечения р_г=const при изменении пг требуется регулировать частоту вращения по линейному закону. В качестве примера на рис.2 приведены результаты моделирования на ЭВМ для условий гидрошахты „Красноармейская" ПО „Добропольеуголь"

Рис. 2. Результаты моделирования переходного процесса

при переходе работы с двух на один гидромонитор и расчетном давлении  р_г^т= 6 МПа. Переход осуществлялся за τ=60 с, что обеспечивает существующая аппаратура управления задвижкой у гидромонитора. В качестве задвижки моделировалась задвижка типа ЗГП, для которой по справочным данным получено
 

                                                                                               (14)                 

где h - ход штока задвижки.

Таким образом, приведенные выше результаты могут быть использованы для определения параметров задатчика интенсивности САР.

Анализ динамики САР проведен на ЭВМ с применением специального пакета МАСС. В качестве САР использована типовая двухконтурная система регулирования частоты вращения электропривода /2/. В качестве исходных данных при расчетах коэффициентов и постоянных времени использованы технические данные комплектного тиристорного преобразователя ПЧВС, электродвигателя ДСП-140/74-4, насоса ЦНСГ 850...960. При моделировании исследовалось изменение частоты вращения насосной установки при фиксированных значениях момента сопротивления 0,ЗМ_н и М_н. Значение постоянной времени задатчика интенсивности разгона и торможения устанавливалось дискретно : 0,l t / T_{зи max}, 0,9 t / T_{зи max}, где максимальное значение постоянной времени задатчика интенсивности T_{зи max} соответствует времени перехода гидросистемы из начального состояния в конечное, т.е. времени открытия (закрытия) задвижки перед гидромонитором T_{зи max} = 60 сек); t - текущее время.

Анализ данных моделирования показал, что переходные функции изменения со носят монотонный характер, постоянная времени которых зависит от временных параметров задатчика интенсивности. При этом точность отработки уставки на заданной частоте вращения в диапазоне (0,l-0,9)t/ T_{зи max} составляет 1,5-2%.

Полученные функции использованы при моделировании на ЭВМ гидравлических процессов в трубопроводной сети при изменении ω.

Рис. 3. Переходный процесс в трубопроводной сети при регулировании частоты вращения электропривода насоса

Исследования проведены по математической модели, в основу которой положена система уравнений движения и неразрывности потока в частных производных, описывающая нестационарное течение жидкости в трубопроводе /3/. Результаты моделирования для условий гидрошахты „Красноармейская" показали (см.рис.З), что переходной процесс устойчив и отсутствует опасный гидравлический удар, как при уменьшении со (кривая 1), так и при увеличении со (кривая 2).

Таким образом, предлагаемая САР обеспечивает требуемое управление в соответствии с критерием оптимального управления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Груба В.И., Оголобченко А.С. Обоснование критериев управления энергетическим водоснабжением забоев гидрошахты /Донецк, политехи, ин-т.- Донецк, 1991.- 19с- Деп. в УкрНИИН-ТИ 20.08.91. № 1225-Ук 91.
2. Александровский Б.С., Хомченко Н.С., Карменский Н.Г. Регулируемые электроприводы средней и большой мощности по схеме вентильного двигателя.- Электротехника, 1990, №3.- С.55-57.
3. Тимошенко Г.М. Научные основы проектирования и эксплуатации насосных установок в переходных режимах.- Киев, Донецк: Вища школа. Головное изд-во, 1986.-127с.